基于单片机的实时多任务操作系统

引 言

1 在MSP430上使用RTOS的意义

　　一般的观点认为，MSP430上使用RTOS是没有意义的这是可以理解的。因为MSP430的硬件资源有限(以MSP430F149为例，只有2KB RAM),任何商业操作系统都不可能移植到MSP430上。目前在MSP430上得到应用的RTOS，只有μC/OS-II，但使用μC/OS-II 必须有昂贵的C编译器，这严重地限制了其在MSP430上的使用。

　　正是基于以上情况，笔者在应用MSP430过程中，编写了一个基于MSP430F149的RTOS，暂定名为M430/OS。它占用RAM量少、代码短小，稍加改动就可适用于大多数其它MSP430单片机。

　　在MSP430单片机系统上使用M430/OS，对系统有以下意义：

　　① 实现软件设计的模块化。可将不同的功能模块编制成相应的任务，由操作系统按级别调用，不必为先执行哪个功能、后执行哪个功能而费神。

　　② 能更合理、有效地利用CPU有限的资源。按任务的重要程度安排任务的级别，能够保证最重要的任务得以最及时执行。

　　③ 大大降低系统故障率。低优先级的任务发生阻塞时，高优先级任务的执行不受影响。

2 M430/OS在MSP430F149上的实现

    2.1 M430/OS功能特点

　　M430/OS有以下特点：

　　① 采用占先式内核，即高优先级的任务可以从低优先级任务“抢”回CPU控制权；

　　② 每个任务都单独开辟一个任务栈；

　　③ 每个任务占十几到几百字节的任务堆栈，任务栈的大小可以根据任务中现场数据、局部变量和嵌套调用的情况估算；

　　④ 每个任务各分配一个优先级,不支持两个任务有相同的优先级；

　　⑤ 不支持信号量、邮箱功能；

　　⑥ 任务状态只有三种：运行(executing)、就绪(ready)、挂起(suspended)；

　　⑦ 系统占用RAM量=（（任务个数+1）×4）+6字节，不包括任务堆栈；

　　⑧ 代码量少，目前版本的代码共有86行汇编代码，256字节目标代码；

　　⑨ 理论上最多支持126个任务；

　　⑩ 任务锁定功能：在一段低优先级的代码中，不想让操作系统把CPU权切换到别的任务，这时可以把这代码锁定，在运行这段代码时，就不会引起任务切换；

　　任务唤醒功能：在一个任务中产生一个的事件来触发其它任务运行（如果被触发的任务优先级高的话，就会马上运行）。

2.2 系统函数介绍

　　① OS_Init：多任务初始化，进行任务栈（任务栈的结构见图1）、任务延时计数、任务状态的初始化。初始化完成后，系统直接切换到最高优先级的任务，多任务系统启动。

　　② OS_Time_Dly：把当前任务挂起一段指定时间让其它任务运行。

　　③ OS_Sched：任务调度，它先把每个任务的延时数减1，然后再找出最高优先级的就绪任务，并切换到这个就绪任务。如果无就绪任务，就切换到空闲任务。

　　④ OS_Free_Task：空闲任务，是一个很重要的系统任务，当所有任务都挂起时，运行此任务。它主要是对一个计数器Free_Count一直进行累加，用户可以根据这个计数器计算出CPU的利用率。

　　⑤ OS_Task_Lock：锁定任务调度，禁止任务调度。主要用来锁定在低优先级中的一些可重入的代码或一些重要代码。

　　⑥ OS_Task_Unlock：解锁任务调度，和上面的子程序功能相反。

　　⑦ OS_Task_Wakeup：唤醒指定优先级的任务，并产生一次任务调度，如果被唤醒任务的优先级比当前运行的任务的优先级高，任务就会切换到被唤醒的任务中，否则等待下一个调度时机。

2.3 主要功能的实现

（1）任务初始化

　　系统加电运行后，首先对硬件资源进行初始化，接着就要对多任务进行初始化了。主要是初始化每个任务的任务栈、每个任务的时钟滴答数和堆栈指针位置。我们把每个任务栈都初始化成图1形式。

　　任务栈的初始化如下程序（r11是用来初始任务堆栈的一个指针，r10是一个循环计数器）：

mov.w #(栈底 + 2) , r11

clr.w Task_Tick(r10) ;清0时钟滴答数

mov.w #任务首地址 , 0(r11) ;把任务地址压入堆栈

mov.w SR , -2(r11) ;把标志寄存器放入任务栈

mov.w r11 , Task_SP(r10)

sub.w #现场所占的字节数 , Task_SP(r10) ;SP位置放

;入堆栈

　　初始化完任务栈之后，就把堆栈指针指向最高任务优先级任务栈的任务首地址处，再执行ret返回。这样，多任务就启动开了，程序如下：

mov.w #09feh , sp ;最高优先级的任务栈任务首地

;址位置

ret ;返回到最高优先级的任务

任务初始化的流程如图2所示。

    （2）时钟节拍

　　时钟节拍由MSP430F149的TimerA产生。TimerA工作于上升模式，CCR0中是TimerA计数最大值。TimerA初始化代码如下：

bis.w #(TASSEL1+TACLR+MC_1),&TACTL

mov.w 2(sp),&CCR0 ;计数最大值，此值决定时钟节拍

bis.w #CCIE,&CCTL0

（3）任务调度

　　应用程序调用OS_init进行初始化后，直接切换到最高优先级的任务。

　　每个任务在运行一个循环后执行OS_ Time_Dly挂起。这是通过把该任务的延时数填到该任务的Task_ Tick中，然后再执行任务调度程序实现。

任务调度就是在定时中断时对所有任务的Task_ Tick减1，然后再按优先级高低的顺序查找Task_Tick减到0的任务，并直接跳到任务切换程序。

下面是任务切换程序（r10的内容是就绪任务的标志，由调度程序找出）：

pushALL ;把当前任务现场入栈

mov.b Now_Task,r11 ;当前任务标志放r11

mov.w sp,Task_SP(r11) ;保存当前任务堆栈指针

mov.b r10,Now_Task ;就绪任务标志变为当前任务标志

mov.w Task_SP(r10),sp ;就绪任务的任务栈指针放入SP

;此时再进行堆栈操作就是对就绪任务的任务栈操作了。

popALL ;把就绪任务的现场出栈

reti ;中断返回，返回到就绪任务

　　任务调度的调度时机有两种：一种是在任务挂起时，一种是定时中断。任务挂起时的任务调度一定会引起任务切换，定时中断就不一定引起任务切换了。因为，如果就绪任务是当前正在运行的任务时不会引起切换。正是如此，任务调度是RTOS中执行得最频繁的一个功能，也是最重要的一个功能，所以必须尽量缩减其代码量，尽量用可靠的调度算法来减少任务调度所占的时间。这个子程序的流程如图3所示。

    （4）任务锁和其它功能的实现

　　任务的加锁与解锁，是为了使一些在低优先级任务的不可重入代码，或对实时性要求较高的I/O操作在执行中不产生任务切换。这项功能是通过设置一个标志位实现的。当调度程序检查到任务被锁定时，就算有就绪任务也必须等开锁之后才能切换。

    如果系统突然产生一个事件要某个挂起的任务来处理，可以在事件产生的程序中调用任务唤醒。它的原理是把Task_Tick清0，然后执行一次任务调度。如果这个任务优先级较高，就直接切换到这个任务里执行。

3 总 结

　　M430/OS已在笔者开发的基于MSP430F149的系统上应用，运行稳定可靠。该操作系统稍加改动，就可应用于其它MSP430单片机。当然，它的功能还是很有限的，也可能还存在一些尚未暴露的问题；但无论如何，它向我们证明，在MSP430单片机系统中使用RTOS是完全可能的。